智能交通信号灯系统设计.docx
《智能交通信号灯系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能交通信号灯系统设计.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
智能交通信号灯系统设计
智能交通信号灯系统设计
摘要
交通信号灯是一种重要的交通指示工具。
它能够指示通过交叉路口的机动车辆和过往的人群有序地通行，是维系道路交通顺畅，减少道路堵塞的主要工具之一。
针对传统交通信号灯存在不能根据车流量大小自动调节通车时间的缺点，本文提出了以单片机为主控制器，超声波传感器测车流量的新型智能交通信号灯模拟控制系统的方案。
本论文设计的智能交通信号灯模拟控制系统采用AT89C51单片机为控制器，以URF04超声波模块检测实时通行的车流量，通过RS-485传输线通讯，主控制器根据从控制器反馈回来的信息，实时调整通行时间，可以有效地疏导交通。
关键词交通信号灯智能单片机
目录
1.绪言1
1.1智能交通信号灯控制系统概述1
1.2交通信号灯的应用及其发展趋势1
2.系统控制器及外围数字电路IC芯片简介2
2.1系统整体电路框图2
2.2AT89C51单片机简介4
2.3LED显示器7
2.3.1LED数码管显示器的结构原理7
2.4超声波收发模块8
2.4.1超声波测距原理8
2.4.2超声波收发模块简介9
2.574LS138译码器10
2.674LS373锁存器11
2.774LS04反相器12
2.8MAX485收发器13
3.硬件系统设计13
3.1交通信号灯控制方案选择13
3.2硬件电路设计15
3.2.1通行时间显示电路15
3.2.2单片机时钟电路17
3.2.3单片机复位电路17
3.2.4人行道信号灯控制电路18
3.2.5机动车道信号灯控制电路18
4.软件系统设计19
4.1主机程序流程图19
4.2C语言程序设计21
4.2.11秒钟程序设计21
4.2.2LED数码显示器程序设计22
5.系统调试与结果分析22
5.1硬件调试22
5.2软件调试和下载23
5.3结果分析24
致谢26
参考文献27
附录一主机系统电路图29
附录二电路源程序30
一、绪论
智能交通信号灯控制系统是控制交通道路十字路口中车辆和行人往来顺畅，维持道路正常通行的有效工具。
它可以根据道路车流量的实际状况进行红绿灯通行时间的调控，减少道路堵塞，优化交通，具有一定的智能性。
系统组成包括主机和从机系统两部分。
主机系统的组成包括微型控制器MCS-51单片机、电源、红绿灯显示、通行时间显示和MAX485转换器五部分。
从机系统的组成包括微型控制器MCS-51单片机、电源、超声波传感器模块和MAX485转换器四部分组成。
1.1智能交通信号灯控制系统概述
随着经济的发展，汽车的拥有数量越来越多，道路交通堵塞情况日益严重。
交通拥堵已成为城市发展中的一个需要迫切解决的社会问题。
传统的交通信号灯由于其红绿灯的通行时间都是固定不变的，因此，也就无法根据道路实际的车流量实时调整红绿灯的通行时间。
这种不足导致其不能有效地解决道路堵塞的问题。
此外，从土地资源利用的角度来看，由于土地使用的限制，也不能靠简单的道路扩建来解决交通拥堵的问题。
因此，这就要求我们在现有的道路基础上，研究、设计出一种有效的交通信号灯控制系统，实时控制，提高交通控制水平，更加灵活有效地提高道路的利用率。
从而减少交通拥堵，实现道路畅通，缓解日益严重的交通问题。
1.2交通信号灯的应用及其发展趋势
在国际上,交通信号的含义大同小异,而且正趋于统一。
1968年联合国《道路交通和道路标志、信号协定》，对各种信号灯的含义作了规定。
绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行、左转弯和右转弯，除非另有一种标志禁止某一种转向。
左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通过。
红灯是禁行信号。
因为在可见光中红光的电磁波最长，易于为人们在较远距离外辨认，为保证交通安全，所以采用红灯为禁行信号。
面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。
黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时，可以进入交叉路口。
有的国家规定黄灯只能单独出现,有的规定黄灯可以与红灯同时出现,前者是警告信号，后者是预告信号。
有些国家的人行横道灯也采用红黄绿三色信号灯，其中黄灯是警告行人这时不宜穿越马路。
在某种情况下，为了分离各种不同方向的交通流并对其提供独立的通行时间，可以用带箭头的灯来代替普通的绿信号灯。
箭头信号灯有两种，一种是单独的绿箭头信号灯，面对这种信号灯的车辆只可沿着绿箭头所指示的方向行驶；另一种是带红灯的绿箭头信号灯，面对这种信号灯的车辆在不妨碍那些合法地在人行横道上行人和正在合法地通过交叉路口的车辆通行的情况下可以沿着箭头指示的方向行驶有的国家还采用一种闪动的交通信号灯，黄闪灯、红闪灯和绿闪左转弯（靠右行驶的国家为右转弯）箭头信号灯三种。
面对黄闪灯的车辆可以小心地通过交叉路口，面对红闪灯的车辆不得通行，面对绿闪左转弯或右转弯箭头信号灯的车辆除了可以直行之外还可以左转弯或右转弯。
目前，安装在交叉路口的交通信号灯多为自动控制的信号灯，有的是固定周期，有的是变周期。
用信号灯控制一个交叉口交通的方式叫点控制；将一条道路上几个交叉口的信号灯联系起来，协调运转，这种控制交通的方式叫线控制；用计算机控制几条道路上的若干个交叉口的信号灯，使之协调运转，这种方式叫面控制。
随着智能控制技术的发展，未来的交通信号灯控制系统将朝着智能化、自适应的方向发展。
智能交通信号灯控制系统能够根据实际的车流量状况进行实时调控红绿灯的通行时间，减少道路堵塞，优化道路交通状况。
目前已有相关的课题研究。
例如：
采用基于电磁感应原理的地感线圈检测车流量，PLC为主控制器的智能交通控制系统；采用压力传感器与控制器组成的实时交通控制系统；基于微波检测的智能交通控制系统等方案。
此外，据报道，德国将采用新型的智能交通控制系统。
具体是德国公路上的探测器将被小型计算机取代，司机可以和智能交通灯随时进行“对话”。
这一方案是由德国卡塞尔大学交通技术和运输物流系进行研究。
二、系统控制器及外围数字电路IC芯片简介
2.1系统整体电路框图
本设计系统的硬件电路总体框图见图2-1、图2-2所示。
主要组成部分包括：
系统微控制器（AT89C51单片机）、超声波收发模块、外部电路数字IC芯片和LED数码管显示器等。
图2-1系统主机总体框图
图2-2系统从机结构框图
2.2AT89C51单片机简介
MCS-51系列单片机是目前国内应用最广泛的单片机之一。
随着基于MCS-51系列单片机的嵌入式实时操作系统的出现与推广，在很长一段时间内，MCS-51系列单片机仍将占据嵌入式系统产品中的中、低端产品市场。
本文将介绍一种以MCS-51系列单片机为主控制器，以超声波传感器检测车流量的新型交通信号灯模拟控制系统。
随着计算机技术与微电子技术的发展，智能仪表的功能逐步完善，工作的可靠性也进一步提高，而单片机却是随着功能的不断增强，价格逐渐降低。
在本系统设计中，使用美国ATMEL公司生产的8位单片机——AT89S51作为控制器件。
AT89C51是一种带4K字节可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS结构的8位微处理器。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS一51指令集和输出管脚相兼容，并且将多功能8位CPU和FLASH存储器组合在单个芯片中，因而，AT89C51是一种高效的微控制器，为很多智能仪器和嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
下面简单介绍一下该单片机的一些特性。
8位单片机AT89C51的主要特性是：
●与MCS-51指令兼容
●4K字节在系统可编程（ISP）Flash闪烁存储器
●寿命：
1000写／擦循环
●4.0-5.5V的工作电压范围
●全静态工作模式：
0Hz-33Hz
●三级持续加密锁
●128×8字节内部RAM
●三级程序存储器锁定
●32位可编程FO线
●两个16位定时器／计数器
●5个中断源
●全双工串行UART通道
●低功耗的闲置和掉电模式
●中断可从空闲模式唤醒系统
●看门狗（WDT）及双数据指针
●片内振荡器和时钟电路
●掉电标志和快速编程特性
●灵活的在系统编程（ISP-字节或页写模式）
图2-3AT89C51结构图
单片机AT89C51各引脚定义如图2-4所示，引脚定义见表2-1。
图2-4引脚定义图
表2-1AT89C51引脚定义表
引脚序列
引脚号
功能
1-8
P1.0~P1.7
8位准双向I/O口
9
RST
复位输入口
10
RXD/P3.0
串行接收口、P3.0I/O口
11
TXD/P3.1
串行输出口、P3.1I/O口
12
INT0/P3.2
外部中断0输入口、P3.2I/O口
13
INTl/P3.3
外部中断1输入口、P3.3I/O口
14
T0/P3.4
定时计数器O输入口、P3.4I/O口
15
Tl/P3.5
定时计数器1输入口、P3.5I/O口
16
WR/P3.6
外部数据存储器写选通、P3.6I/O口
17
RD/P3.7
外部数据存储器读选通、P3.7I/O口
18
XTAL2
时钟振荡器的输入腧出端2
19
XTAL1
时钟振荡器的输入腧出端1
20
GND
信号地
21-28
P2.0-P2.7
8位双向I/O口、可作存储器的高8位地址
29
PSEN
程序存储允许输出信号端
30
ALE/PROG
片外存储器地址锁存信号
31
EA/Vpp
外部取指使能信号
32-39
P0.0-P0.7
数据/低8位地址复用端口
续表2-1
40
VCC
电源
2.3LED显示器
在小型控制装置和数字化仪器仪表中，往往只要几个简单的数字显示或字状态便可满足现场的需求，而LED显示数码管因其成本低廉、配置灵活、与计算机接口方便等特点，在小型微机控制系统中得到极为广泛的应用。
2.3.1LED数码管显示器的结构原理
发光二极管LED利用PN结把电能转换光能的固体发光器件，根据制造材料的不同，可以发出红、黄、绿、白等不同色彩的可见光束。
LED的伏安特性类似于普通二极管，正向压降为2V左右，工作电流一般在10mA~20mA之间较为合适一个8段LED显示器的结构如图2-5所示。
它是由8个发光二极管造成，各段依次记为a、b、c、d、e、f、g、dp，其中dp表示小数点（不带小数点的称为7段LED）。
8段LED有共阴极和共阳极两种结构，分别如图2-6、图2-7所示。
dp
D
图2-58段数码管结构图
COMCOM
图2-6共阴极结构图图2-7共阳极结构图
共阴极LED的所有发光管的阴极并接成公共端COM，而共阳极LED的所有发光管的阳极并接成公共端COM。
当共阴极LED的COM端接高电平，则某个发光管的阴极加上低电平时，则该管有电流流过因而点亮发光。
LED各段不同点亮的组合可以显示0~9、A~F等十六进制数。
表2-2LED段选码
显示
字符
共阴极段选码
共阳极段选码
显示
字符
共阴极段选码
共阳极段选码
0
3FH
C0H
8
7FH
80H
1
06H
F9H
9
6FH
90H
2
5BH
A4H
A
77H
88H
3
4FH
B0H
B
7CH
83H
4
66H
99H
C
升级会员 